EXAMENSARBETE INOM MASKINTEKNIK, Maskinteknik, högskoleingenjör 15 hp SÖDERTÄLJE, SVERIGE 2017
Ultralätt hopfällbar reflektor
CARLO ABDUL-JALIL SARGIS BEGLARYAN
SKOLAN FÖR INDUSTRIELL TEKNIK OCH MANAGEMENT INSTITUTIONEN FÖR TILLÄMPAD MASKINTEKNIK
Ultralätt hopfällbar reflektor
av
Carlo Abdul-Jalil
Sargis Beglaryan
Examensarbete HPU 2017:48 KTH Industriell teknik och management
Tillämpad maskinteknik Mariekällgatan 3, 151 81 Södertälje
Examensarbete HPU 2017:48
Ultralätt hopfällbar reflektor
Carlo Abdul-Jalil Sargis Beglaryan Godkänt {2017-10-24} Examinator KTH Alexander Engström Handledare KTH Pieter G. Grebner Uppdragsgivare DataPath International AB Företagskontakt/handledare Peter Blomstergren Sammanfattning
Datapath är ett företag som tillverkar satellit antenner för radio och
telekommunikationssystem. Antennerna används inom olika områden, vissa modeller är anpassade för att användas i extrema miljöförhållanden som exempelvis i krigszoner. Gruppen hade fått i uppdrag att utveckla M-modellen som används främst i militära bruk.
I dagsläget är de befintliga antennerna tunga och stela vilket innebär att de kräver fordonstransport för längre sträckor och tar stort utrymme under transport. Eftersom projektet skulle genomföras under endast 10 veckor, begränsades arbetet endast till utveckling av reflektorn. Målet var att minska transportvolymen med 20 procent och minska massan med 50 procent. Företaget rekommenderade en paraplyantenn som skulle vara hopfällbar, något som tagits hänsyn till under arbetet.
Under arbetet hade gruppen kommit fram till olika koncept med olika material för
reflektorn. Resultatet av idegenereringen blev två olika koncept med två olika material. Det första konceptet är tänkt att bestå av CFRS (Carbon Fiber Reinforced Silicone). Materialet är ultralätt samtidigt som det är starkt nog för att ge formstabilitet och klara av externa krafter. Samtidigt är det flexibelt nog att kunna vika ihop.
Det andra konceptet som föreslogs av gruppen är ett koncept med en reflektor och en extern stödstruktur. Reflektorn består av ett tyg medan stödstrukturen är gjort av polyeten.
Båda dessa koncept uppfyllde våra mål samt företagets krav vad gällde vikten, transportvolymen och hållfasthet.
Nyckelord
Bachelor of Science Thesis HPU 2017:48
Ultralight deployable reflector
Carlo Abdul-Jalil Sargis Beglaryan Approved {2012-10-24} Examiner KTH Alexander Engström Supervisor KTH Pieter G. Grebner Commissioner DataPath International AB
Contact person at company Peter Blomstergren
Abstract
Datapath manufactures satellite antenna for telecommunication systems.
These antennas have a wide range of application scope and are used in extreme environments, in war zones and hotspots.
The antennas are very heavy, difficult to transport so the project group was asked to come up with a new design of light, foldable and easy transportable antenna reflectors. Datapath chose the M-Model for the future development, which was made for the military use.
The existing antennas are very heavy and solid which makes it difficult to transport because it takes a large amount of space. The requirement for this project was to decrease the weight of the reflector by 50 percent and the transportation volume by 20 percent.
The Bachelor thesis generated lots of different design and concepts with different choices of materials for the reflector, but only two concepts fulfilled all qualifications.
The first concept was decided to have a body made completely out of Carbon fiber reinforced silicone (CFRS). This material is strong and robust once it unfolds and can stand external forces generated by strong winds, but it is very easy to fold it back and most important it is ultralight. The second concept was a reflector made of reflective fabric with an external shell construction made of polyethylene.
Both of these concepts fulfill Datapath's requirements with aspect on weight, transportation volume and strength.
Key-words
Innehållsförteckning 1 INLEDNING ...2 1.1 BAKGRUND ...2 1.2 PREBLEMDEFINITION ...2 1.3 MÅLBESKRIVNING ...3 1.4 KRAVSPECIFIKATION ...3 1.5 AVGRÄNSNINGAR...3 1.6 LÖSNINGSMETOD ...3 2 NULÄGESANALYS ...4 2.1 REFLEKTORNS FUNKTION ...4 2.2 BEFINTLIGA REFLEKTORER ...4 2.3 LIKNANDE PRODUKTER ...5 2.4 MATERIAL ...8 2.5 VAL AV MATERIAL ... 10 2.5.1 GO-NO-GO ... 10 3 KONCEPTFRAMTAGNING ... 12 3.1 IDEGENERERING ... 12
3.1.1 KONCEPT MED STÖDSTRUKTUR ... 12
3.1.2 KONCEPT UTAN STÖDSTRUKTUR ... 15
3.1.3 TRIZ... 18
3.1.4 PUGH’S MATRIS ... 18
4 REALISERING ... 19
4.1 KONCEPTUTVECKLING ... 19
4.1.1 KONCEPT MED STÖDSTRUKTUR ... 20
4.1.2 KONCEPT UTAN STÖDSTRUKTUR ... 23
4.2 FMEA ... 24
4.3 FEM-ANALYS ... 24
5 RESULTAT ... 25
5.1 REFLEKTOR MED STÖDSTRUKTUR ... 25
5.2 REFLEKTOR UTAN STÖDSTRUKTUR ... 26
6 SLUTSATSER ... 27
6.2 SLUTSATS ... FEL!BOKMÄRKET ÄR INTE DEFINIERAT. 6.3 REKOMMENDATIONER INFÖR FRAMTIDA ARBETEN ... 28
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Kommunikation har alltid varit viktig för mänskligheten och har lett all utveckling framåt för hela mänskligheten. Kommunikation är helt enkelt utbyte av information som sker skriftligt, muntligt eller i form av film och bilder.
Jorden är ganska brett befolkat och informationsbytet har stor betydelse för jordens befolkning. Detta gäller dels nyheter, telekommunikation, radio/TV, transport och inom militära bruk. Datapath International AB är ett internationellt företag som tillverkar lätta
satellitkommunikationssystem för militära och civila bruk med hög prestanda.
DataPath erbjuder en av marknadens snabbast anslutbara system. Företagets marknad är mer inriktad till militären och därför tillverkar de mindre produkter med hög prestanda för att vara mindre synliga. Den befintliga utrustningen väger mycket trots att de flesta komponenterna är gjorda av kompositmaterial.
Företagets mål är att tillverka ultralätta antenner för att de ska vara lätta att transportera på ryggen och kunna ställa upp snabbt och enkelt vid behov i riskzoner under olika miljöförhållanden. De befintliga produkterna är tillräckligt stora för att få plats i en ryggsäck, dock är de tunga tog för en utrustad soldat att spring med.
Syftet med detta examensarbete som omfattar är att tillsammans med företaget utveckla en ny ultralätt disk till antennen med samma tekniska specifikationer som den befintliga kolfiberdisken.
1.2 Preblemdefinition
”Datapath” International AB utvecklar mobila satellitkommunikationssystem för militära och guvernära bruk samt för tv-sändning. Då de i stor utsträckning används av militär och
krigsreportrar i riskmiljöer, behöver dessa system vara lätta att transportera och snabbt kunna monteras/demonteras. Idag är antennerna tunga och packas i stora, robusta väskor vilket
försvårar transport och i många fall tvingar till transport via fordon. DataPath önskar därför göra sina system lättare och mindre så att man lätt kan packa ned systemet och gå iväg med den. Som en del av systemen finns idag en antenn med en disk i form av ett stort, runt fat av kolfiber. Modellen M90T är en prototyp antenn vi kommer utgå ifrån för vidareutvecklingen av disken. Denna fälls idag ihop men kräver ändå stort utrymme vid transport och är tung. Detta
examensarbete är ämnat för att undersöka om man kan göra antennen lättare och mobilare. Företaget föreslår en paraplyantenn som lösning
Problemställningarna är således:
Antennen är tung, kan man göra den lättare?
1.3 Målbeskrivning
Samtidigt som antennen behåller dagens tekniska(se kravspecifikation) egenskaper, ta fram: En lösning som sänker vikten på disken med 50 %.
En lösning som gör disken 20 % mindre än dagens disk vid transport.
1.4 Kravspecifikation
Reflektorn ska:
Kunna operera inom temperaturintervallet -32 °C - +55 °C.
Kunna förvaras i temperaturintervallet -49 °C - +72 °C utan att dess egenskaper förändras permanent.
Kunna operera vid vindhastigheten 20 m/s. Klara av 100 % fuktighet.
Reflektera mellan intervallet 7.25 GHz – 31 GH
1.5 Avgränsningar
I examensarbetet:
Begränsas arbetet till disken på antennen. Görs inga ekonomiska kalkyler.
1.6 Lösningsmetod
Nulägesanalys för att studera befintliga diskar.
o Marknadsundersökning för att studera ultralätta antenner på marknaden. Patentsök för att se om det finns patenterade lösningar.
Litteraturstudie.
Sök i databaser och litteratur. Brainstorming.
TRIZ.
Pugh’s Matris
FMEA för att studera risker på valt/valda koncept. CAD och/eller renderingsprogram för visualisering.
2 Nulägesanalys
2.1 Reflektorns funktion
Disken i ett satellitkommunikationssystem är komponenten som reflekterar och fokuserar signalerna till en enda punkt. Anledningen till varför det används just en paraboloid är just för att den ska rikta signalerna till en och samma punkt. Parabolen reflekterar alla signaler som faller parallellt med dens mittaxel. De reflekterade strålarna träffar sedan en punkt längst mittaxeln på fokalavståndet som kallas för brännpunkten.
De koncentrerade strålarna träffar sedan LNB (Low noice Converter) vilket förstärker och omvandlar signalerna till lägre frekvenser som sedan skickas till satellitmottagaren1.
För att samla in alla signaler, använder man sig av matarhorn som sitter i LNB. Matarhornet placeras i parabolens absoluta fokus för att erhålla optimal mottagning2.
Utformningen av matarhuvudet varierar beroende på öppningsvinkeln för att den ska kunna täcka hela reflektionsytan. Djupa paraboler brukar ha korta fokalavstånd och kräver matarhorn med stor öppningsvinkel.
Det är känt att metalliska material används i de flesta satellita system. Anledningen är att metall är väldigt konduktivt material1. Detta är på grund av metallens starka atombyggnad. Den starka
metallbyggnaden tar inte upp någon energi när den träffas av radiovågorna utan metallens atomer börjar vibrera vilket gör den förmågan att leda ström och värme och den infallna vågen
reflekteras.
För att få vinklarna att stråla till rätt punkt måste man bearbeta reflekterande ytan för att få en slät yta, så att normalen till parabolens tangent i varje punkt träffar LNB1. Yttnoggrannheten på
paraboloiden beräknas vara 1/50 av inträffade strålens våglängd.
För att få rätt precision krävs det att materialet och miljöförhållanden inte påverkar ljudvågorna.
2.2 Befintliga reflektorer
Antennen som projektet utgår från är M-serien. Reflektorn som används väger fyra kg, och har en transportvolym på 16.7 dm3.
Idag domineras marknaden av antenner med solida diskar. Dels för att det är gammal, beprövad teknik och dels för att det ska stå stabilt och vara robust i hårda miljöer och klara starka vindar. Om man använder diskar av mjukare slag kan det behövas en stödjande struktur som
upprätthåller formen på disken. Det kan också användas mer elastiska material med minne som kan deformeras elastiskt och sedan återgå till grundformen. Hur som helst kräver det ny teknik eller vidareutveckling av gammal sådan. Det är inte alla som har resurser för sådan forskning eller en målgrupp som önskar flexibla diskar. Majoriteten av världens diskar används av civila
samhället för TV, är strikt fästa och har inte i syfte att transporteras, packas upp och ned i cykler. Därför nöjer många antenntillverkare sig med klassiska, robusta antenner. Verksamheter som riktar sig mot exempelvis militära marknaden som DataPath har en målgrupp som kräver lätta
och portabla antenner. Därför har DataPath fokuserat på lätta material i sina diskar och metoder som gör disken mindre vid transport och därmed transportvänlig.
DataPath har flera diskar men alla består idag utav ett centralt material som ger formen på antennen och är laminerat med en RF-reflekterande kolfiberväv.
Kolfiber är elektromagnetiskt ledande och reflekterar därför radiovågor1. Kolfiber är dessutom
ett väldigt lätt material, det är styvt, värmestabilt, inte elastiskt deformerbart och
RF-reflekterande, då det passar DataPath och deras kunder har Datapath satsat hårt på kolfiber och klätt sina diskar i det.
DataPath produkter är idag gjorda för att vara transportvänliga så diskarna kan därför på olika sätt packas ihop och ta mindre utrymme vid transport/förvaring. Diskarna kan antingen plockas itu eller vikas ihop. Modellerna som plockas itu är skurna på olika sätt, i tårtbitar eller
pusselliknande former och fästs samman genom länkar på baksidan. Disken som viks ihop är skuren i färre delar som eneklt viks över varandra.
2.3 Liknande produkter
För att inte tillämpa patenterade lösningar, för att få inspiration och för att hitta liknande
produkter hos konkurrenter eller privata uppfinningar genomförs en marknadsundersökning och sökningar i patentdatabaser. Marknadsundersökningen genomförs genom att kolla igenom produkterna hos DataPaths konkurrenter, söka på nyckelord i ”broad subject databases”, ”specific subject databases” samt efter patent i patentdatabser. Patentdatabaserna som söks i är en svensk databas, Svenska patent och registreringsverkets egen databas där alla svenska patent och utländska patent som är verksamma i Sverige finns och en internationell databas, Worldwide Espacenet, som innehåller patent från över 90 länder.
Av DataPaths konkurrenter finns endast ett företag som erbjuder en produkt vars egenskaper kan jämföras med detta examensarbes mål. Företaget Gatr utvecklar och säljer en uppblåsbar
konstruktion bestående av ett klot med en antenn inuti. Klotet används som en slags
tryckbehållare som hjälper till att ge den konkava formen på antennen. Den är konstruerad så att när klotet blåses upp så hålls ett större tryck ovanför antennen och på så vis trycker ned och formar den. Vid transport töms ballongen på luft, viks ihop till en mindre volym och packas ned i en väska. Den blir relativt lätt och transportvänlig. Av användarrecensioner att döma är en
nackdel med dessa ballonger att de möglar och blir ofräscha efter att de använts i fuktigt klimat, packats ned, förvarats en längre tid och packats upp igen för användning.
Gatr specificerar inte materialet men vi misstänker att det är gummi då det är det vanligaste materialet som används i uppblåsbara bollar. Gummi i sig är inte reflekterande så reflektorn på insidan är högst troligt laminerad med något reflektivt material.
Rymdfarkoster kräver ofta en kommunikation med Jorden och använder därför antenner medreflektorer. Dessa reflektorer är stora, de behöver vara hopfällda vid farkostens avresa och fällas upp i rymden. Därför ligger mycket fokus på att utveckla uppfällbara reflektorer i
rymdbranschen. Dessa är stora och fälls upp/ihop med hjälp av motorer men metoderna som används för ned- och uppfällning och materialen i reflektorerna är intressanta.
LDR, ”Large Deployable Reflector” som de stora, uppfällbara, rymdreflektorerna heter, som används i rymden använder vanligtvis metallväv som reflekterande yta. Dessa har problem med ”pillow effect”, alltså att veck bildas, och behöver därför en stödstruktur för att få en plan yta med den paraboliska formen. Många LDR-koncept använder ett avancerat, spänt kabelnätverk för detta och för att få en stel och noggrann yta på reflektorn. Kabelnätverket och reflektorn fästs i en varsin ring i två olika planer. Ringarna är sedan kopplade med ribbor och genom en saxlik konstruktion kan hela konstruktionen fällas ihop till en avsevärt mindre del. Flertalet
företag/institutioner har använt sig av liknande koncept och skickat upp i omloppsbana.
Exempel på företag som gjort detta är, LSS, Zhejiang University ihop med rymdcentret i Beijing, HPS, Astro aerospace- Northgroup Grumman, NASA mfl. De reflektorer som använts av dessa
och som framgår av rapporter har bestått av guldförkromade vävar4 och en väv av
guld-molybdenum5. Detta koncept med ringar och kabelnätverk är patenterade6.
Ett relativt nytt reflektivt material som börjat användas de sista åren och som utvecklats på Munchens tekniska universitet är kolfiberförstärkt silikon, CFRS7. CFRS utvecklades i syfte att ta
fram ett formstabilt, vikbart och RF-reflekterande kompositmaterial som kan användas till LDR. Materialet har en låg böjstyvhet men är tillräckligt stel för att upprätta en parabolisk form av egen kraft och så flexibel att den kan vikas ihop vid uppskjutning av rymdfarkosten och sedan fällas upp i rymden. Alltså har inte dessa reflektorer problem med ”pillow effect” vilket gör att det inte behöver ett kabelnätverk eller högt antal ribbor för att hålla formen. På Munchens tekniska universitet har man tagit fram två reflektorer av CFRS i mindre skala (1.6 m i diameter) för att göra tester. CFRS är testat i frekvenser upp till 15 GHz. I rapporten framgår att det finns
potential att öka till Ka-frekvenser(27 GHz- 40 GHz) om man använder finare fibrer. Skolans har tagit fram två koncept som är paraplylika. Det ena fälls in och ut radiellt med hjälp av ribbor och en motor. Det andra konceptet fälls ihop koniskt också med ribbor och motor. Dessa är inte utvecklade i kommersiellt syfte utan är ett ESA-stöttat projekt i syfte att allmänt ta steg framåt med rymdreflektorer. Inga reflektorer gjorda av CFRS kan hitta i patentdatabaserna.
Rymdföretaget HPS har utnyttjat rymdteknologin för utveckling av sina egna produkter. I ett ESA-stöttat projekt har man genom det nya materialet, CFRS, tagit fram koncept till en ”Ultra rapid deployable antenna”, URDA. Syftet var att ta fram en antenn för Ku-frekvenser som kan fällas ihop, är robust, går fort att fälla upp och är lätt att transportera. ESAs motiv är att
kommunikationen är bland det första som kan försvinna i katastrofsituationer på marken, i och med att kommunikation är vitalt i räddningsarbeten har man därför valt att stötta detta projekt. Antennen är designad så att den kan fällas upp, riktas och redo för kommunikation inom fem minuter. Efter avslutat projekt har HPS nu gått vidare med att utveckla konceptet till en kommersiell produkt. HPS anser att den nya antennen kommer att vara banbrytande då marknaden saknar en liknande produkt. Dock är utseende och hur den fungerar okänt.
"There has not been a commercial solution which offers this combination of performance and extreme portability. Up to now one could choose between small size or rapid deployment or high accuracy, but you could not have all in one. With URDA these three important characteristics are now combined in a single antenna that can be used whenever the existing terrestrial
HPS är normalt verksamma inom rymdindustrin men verkar i och med denna produkt försöka slå sig in på markbaserad kommunikation, alltså kan DataPath få en ny konkurrent.. Tillverkaren av reflektorn har kontrakterats till LSS UG i Tyskland, detta i projektet med ESA men om man fortsatt med de som tillverkare i kommersialiseringsfasen framgår inte. Inga patent på något liknande från varken HPS eller någon annan kan hittas i databaserna.
Ett team på universitetet Afyon Kocatepe Universityhar i Turkiet har designat en självutfällande reflektor gjord av CFRP9 (Carbon Fibre Reinforced Plastic). Den har syfte att skickas upp i
omloppsbana runt Jorden. CRFP är precis som CFRS en ”flexible shell-membrane reflector”, alltså en tunn, flexibel och reflektiv yta. En modell i mindre skala(1.5 m i diameter) har tagits fram för att demonstrera hop- och uppfällningen samt att göra tester på. Reflektorn är tillverkad genom RTM (resin transfer method) var 94g/m2 ”plain weave carbon cloth” använts med epoxy.
Modellen är tänkt att rullas ihop, antingen med bägge ändar in mot mitten eller rulla ihop den från ena sidan. Materialets densitet är 1480 kg/m3.
Tekniska universitetet i Munchen har genomgått ett CUBESAT-projekt, MOVE, i syfte att utbilda studenter och att utveckla/validera ny rymdteknologi. I projektet gjorde man en preliminär design av en reflektor gjord av CFRS och en kort undersökning kring möjliga
hopfällningar av denna. I rapporten nämns att materialet har så låg ”bending stiffness” att det kan rullas ihop, vikas, vikas och rullas ihop eller vikas genom Origami10. Patent på just detta koncept
kan inte hittas dock hittas patent på en viss typ av materialet CFRP11.
Origami är en metod att vika papper på12. Det kan användas för att vika mycket simpla figurer
och det kan användas för mer komplexa konstruktioner som kan kräva djupa matematiska beräkningar. Origami har börjat användas för stora solpaneler som skjuts upp i rymden. De viks ihop genom origami innan uppskjutning och viks upp väl i rymden. NASA13 och Brigham Young
University14 är några av de som tillämpar det. Mycket stora och stela solpaneler tillåts bli mycket
små genom origami. En stel kropp viks ihop med hjälp av gångjärn men då origami utgår från ett plant papper med en mycket liten tjocklek krävs beräkningar för tjockare material.
Origami är mycket intressant även i detta examensarbete men då det kräver komplicerade vikningar och eventuellt beräkningar befaras detta inte hinnas med i detta arbete.
Patent har sökts efter i Svenska patent- och registreringsverkets databas och worldwide espacenet som tidigare nämnts. Liknande produkter som hittats har sökts efter i databaserna, därutöver har nyckelord som ”foldable reflector”, ”deployable reflector”, ”umbrella antenna” mfl, använts att söka med. Flertalet patent på ihopfällbara antenner har hittats, patenten bedöms vara så många att de inte hinner gås igenom i detta examensarbete. Dock gås ett antal igenom för inspiration och för att inte göra identiska. Inga patent på markbaserade produkter som säljs kommersiellt kan hittas. De flesta som hittas är snarlika med en funktion likt ett paraply och fälls ihop med stela sidor mot centrum. Det som skiljer de åt är detaljer i konstruktionen i bärande strukturer och material osv.
2.4 Material
Gruppen sökte efter material som är reflekterande och lätta och lyckades hitta tyger samt flexande material. De delades in i två olika kategorier för att gruppen vill erbjuda ett från varje kategori. I tabell och finns materialen samlade.
Material Frekvens Dämpning Reflektion Kommentar
Ni:Cu15 10MHz-3GHz 60db 99% reflection Materialet är bra på att
reflektera
elektromagnetiska strålningar och är lätt att sätta fast den på fastna material. Tyget är korrosionsfri tack vore innehållet av Nickel. Denna metallpolyester materialet är endast 0.08milimeter tjock och är enkel att skära, dock måste man behandla den med handskar eftersom Nickel kan orsaka allergiska reaktioner på kroppen.
Cu15 10 MHz till
3GHz
60db 99% reflection Tyget är 0.08milimeter
tjockt med ytresistiviteten 05 Ohm/sq och är flexibel. Precis som NI-Cu tyget är den också lätt att bearbeta precis som vanliga tyg. Tyget kan dock orsaka allergiska reaktioner och därför bör handskar användas vid kontakt med detta material.
Tyget är lätt att upptäcka eftersom den reflekterar ljus.
14KHz- 10GHz 80db 99% reflection Detta material är gjort av
silverfibrer och är elastisk. Tyget är unik i marknaden på grund av sin elastiska förmåga. Tyget är dock tjockare än de andra tyg och har tjockleken 0,028 millimeter.
Tyget är enkelt att bearbeta och är inte giftig men kan orsaka allergiska
egenskaper.
EMF RF Shielding LIght
Filtering Fine Mesh16
10MHz - 3GHz
50db 99% reflection Detta material är tunt och
väldigt flexibel, den är endast 0,09mm tjock och reflekterar radiovågor,
elektromagnetiska strålningar och
röntgenstrålningar utmärkt. Tyget är gjord av små trådar pläterade i Nickel, vilket reflekterar radiovågorna.
Lätt bearbetbar men kan orsaka allergiska
reaktioner och därför bör den användas med skydd.
Strech conductive fabric15 Upp till
30GHz
50db 99% reflection Väldigt lätt material som är eöastisk, vattentåkig och
orsakar inga allergiska reaktioner.
Swiss Shield Ultima17 Upp till
10GHz
41db 99% reflection OEKO-TEX certifierad
som hudvänligt material och är tvättba.Den är gjord av bomull (82%, koppar/silver, 18%) Innehåller naturlig bomull.
Aaronia X-Steel18 1 GHz till 50
GHz
80db 99% reflection Materialet är gjord
100%av SS fibrer. Den tål temperaturer upp till 600 grder Celsius, är 1mm tjock och väger mycket (1000g/m^2)
2.5 Val av material
2.5.1 Go-no-go
Faktasökningen på olika material för reflektorn gav många allternativ på tyg som uppfyllde huvudfunktionen. Dock fanns det tydliga skillnader på deras egenskaper och därför användes metoden GO-NO-GO. En analys görs för vardera kategorien.
I detta fall utförs en GO-NO-GO-analys mellan material som inte har formminne.
Alternativ GO NO GO OPTIONS Kolfiber Befintliga materialet, Fungerande koncept. Behövs många skikt för att klara kraven. Blir mycket styv och svår att flexa. NI/CU 99 % effektiv, tunn och flexibelt material. Tester för önskad frekvens är inte utförda. Cu 99 % effektiv, flexibel. Materialet reflekterar ljus, lätt att upptäcka och klarar inte av höga frekvenser.
Ytan på materialet kan behandla vilket skulle öka vikten och
produktionskostnaderna. EMF RS (silver) 99 % effektiv. Den är unik på grund av den elastiska förmågan. Tester för önskad frekvens är inte utförda.
Egna tester kan göras för högre frekvenser, dock är det tidskrävande
EMF RF (fine mesh) 99 % effektiv och flexibel. Tester för önskad frekvens är inte utförda.
Egna tester kan göras för högre frekvenser, dock är det tidskrävande Strech conductive fabric 99 % effektiv, Testad i önskade frekvensen 30GHz och orsakar inga allergiska
Ur diagram kan man utesluta att följande material klarar av att reflektera inom önskad frekvens
Vinnande Koncept
reaktioner och är elastiskt. Shield ultima 99 % effektiv,
klarar inte av höga
frekvenser.
Testat upp till 10GH. Materialet är inte
vattentåligt.
Materialet kan behandlas för att göra
reflektionsytan vattentålig, dock ökar den vikten och
produktionskostnaderna. Aaronia x-steel 99 % effektiv,
klarar höga frekvenser, brandsäker. Dyrt material med hög densitet.
Resultatet av följande analys visade att ”Strech conductive fabric” är det rätta materialet att gå vidare med. Materialets effektivitet är lika mycket som de andras, det som skiljer sig är att den är elastisk och har testats i höga frekvenser. Testerna genomfördes på 30GHz frekvensen viket är lägre än önskade. Dock kan ur angivna test-diagram uteslutas att den klarar av högre frekvenser. Nedan följer en GO-NO-GO-analys för de fjädrande materialen.
Alternativ GO NO GO OPTIONS SCORE
CFRP 148g/cm^3 Fler information saknas för denna material. CFRS Flexibel men formstabil material som har testats i höga frekvenser. Materialet kan tillverkas i önskad foirm och frekvens. Vinnande koncept, enligt tillverkarna den rätta vägen att gå för grundbaserade satellita antenner. Låg densitet 130g/cm^3 Materialet är dyr och tar lång tid att tillverka den.
Vinnande Koncept
Analysen visar att CFRS är bäst, därför går det vidare.
3 Konceptframtagning
3.1 Idegenerering
Nedan presenteras koncepten som gruppen tagit fram. Avsnittet behandlar enbart grundidén kring varje koncept. Koncepten som tagits fram är framtagna främst genom brainstorming men verktyg som TRIZ, FMEA och PUGH’s matris har använts för att få med perspektiv som missats under brainstormingen.
Gruppen har delat in de olika koncepten i två olika kategorier, koncept med stödstruktur och koncept utan stödstruktur. Första kategorin rymmer koncept ämnade för reflekterande material som i sig inte kan medge den paraboliska formen(Stretch conductive fabric) utan behöver en stödjande struktur för att upprätthålla formen. Under andra kategorin finns koncept med material som i sig kan medge den önskade formen och är formstabila utan stödjande struktur (CFRS). Koncepten har delats upp för att gruppen vill kunna föreslå ett koncept ur varje kategori till kunden.
3.1.1 Koncept med stödstruktur
Detta koncept är precis som ett klassiskt paraply. Flera tunna metallribbor som går längs tyget och som böjs och får sin form med hjälp av yttre ribbor som pressar mot och böjer ribborna. När tyget dras mellan ribborna blir tyget rakt ytterst i kanten så att det uppstår spetsar vid varje ribba. Reflektorn blir en polygon istället för cirkulär. För att lösa problemet placeras en
formstabil remsa längs reflektorns yttre kant för att dra ut reflektorn. Remsan behöver dessutom vara flexibel då det ska gå att böja vid hopfällning.
Ett klassiskt paraply har ribborna på insidan, då det skulle störa signalerna så ligger ribborna på utsidan. De mindre ribborna går då från huvudribborna och kopplas ihop på en skiva som går längs en axel på baksidan. Den skivan hakas fast eller loss för att öppna eller stänga paraplyet. Ett
problem är att andra komponenter ska kopplas på baksidan av disken vilket innebär att det inte finns utrymme för axeln och ribborna på baksidan.
Av ovanstående orsaker tas detta koncept inte vidare härifrån. Detta är ett koncept som DataPath själva varit inne på och rekommenderat, därför har det tagits med här för att inför eventuella framtida arbeten visa varför det avvisats.
Detta koncept är baserat på ett paraply som fälls ihop radiellt. Ribborna består av tre mindre ribbor som är ledade sinsemellan varandra som vid hopfällningen viks ihop. Resterande är precis som i första konceptet. Av samma orsak som det tidigare konceptet tas inte detta koncept vidare härifrån.
Detta koncept är en vidareutveckling av första konceptet. För att lösa problemet med att det inte finns utrymme på baksidan av disken har metallribborna ändrats till ett formstabilt men flexibelt material som tillverkas i den önskvärda paraboliska formen. Materialet skulle kunna vara gummi eller silikon exempelvis. Detta koncept behöver inte en axel och extra ribbor på baksidan då huvudribborna är av ett formstabilt material och inte behöver extra stöd samt att materialet istället viks ihop vid hopfällning. Likt tidigare används en gummiremsa längs dukens kant för att få en cirkulär form. Längs remsan går ett snöre som är till för att dra ihop alla ribbor. För att inte ribborna ska fjädra tillbaka till sitt ursprungsläge finns ett snörlås på snöret.
Fjärde konceptet är en vidareutveckling av andra konceptet. Det är precis som tredje konceptet men repet går längs varje ribba och går ihop på baksidan av strukturen. Vid hopfällning dras repet och ribborna viks ihop radiellt.
Detta koncept är som första konceptet med gummiribbor. Skillnaden är att ribborna nu är ledade längst ned. Detta gör att ribborna kan vara av ett styvt och mer robust material nu.
Gummiremsan ytterst, snöret och snörlåset används här också.
Detta koncept har robusta ribbor på baksidan som är ledade längst ned. Istället för gummiremsan längs kanten går flera rör som är kopplade ihop och kan gå i varandra och låsas med en
mekanism. Syftet med rörkonstruktionen är att ge duken den cirkulära formen samt att fälla ihop hela disken.
Detta koncept är inspirerat av en solfjäder. Stödstrukturen består av robusta ribbor bakom duken. Ribborna är fästa i varsitt spår som leder varje ribba till rätt läge. Här finns också remsan längs reflektorns kant för att få den cirkulära formen.
3.1.2 Koncept utan stödstruktur
Här under finns koncept med materialet CFRS. Materialet är formstabilt och flexibelt och behöver således ingen stödstruktur för att få till den önskade formen. Ett utav koncepten är beroende av utrymme på baksidan av reflektorn och är baserat på att reflektorn ska vara avtagbar. Detta gör att det i dagsläget inte är realiserbart. Av den anledningen kommer inte det konceptet gå vidare till konceptutvecklingen. Dock visas konceptet här inför eventuella framtida arbeten
med att göra reflektorn avtagbar och för att gruppen tror på detta koncept vid sådana förutsättningar.
I detta koncept används CFRS som material vilket innebär att funktionerna som behövs redan är uppfyllda av själva materialet. Det är formstabilt samtidigt som det är flexibelt. Det innebär att inga yttre stödstrukturer behövs. För att enkelt kunna stänga reflektorn har ett snöre dragits längs yttre kanten på disken, detta dras i vid hopstängning och släpps vid uppfällning. För att reflektorn inte ska fjädra tillbaka till ursprungsläget finns ett snörlås på repet.
Detta koncept är byggt på att reflektorn är borttagbar från resterande av kroppen. Vi hopfällning plockas reflektorn av med LNB och trycks in i en egen cylinderformad behållare. Detta är möjligt då reflektorn är gjort av CFRS som är flexibelt och kan vikas ihop på det sättet. LNB används som handtag för att trycka i och dra upp reflektorn ur cylindern. Dock är detta koncept inte realiserbart i dagsläget då LNB inte är avtagbart från resterande av komponenterna. Därför väljer gruppen att inte vidareutveckla detta koncept utan satsar istället på koncept som i dagsläget är realiserbara. Konceptet finns med här som en idé inför framtida arbeten där LNB eventuellt görs borttagbar.
Eftersom gruppen enbart kommit fram till ett realiserbart koncept med CFRS som uppfyller kraven väljer gruppen att realisera detta koncept.
3.1.3 TRIZ
För att få inspiration till fler idéer och för att inte missa möjligheter används TRIZ 40-principer. Målet var att få ut nya koncept eller att få idéer att tillämpa på befintliga koncept.
Förbättrad parameter
Försämrad parameter
Förbättring Försämring TRIZ-princip Idé
1 35 Vikt Stabilitet 35 Minnesmaterial
8 26 Volym Reflektion 35 Högkonduktivt
material, kolfiber 7 14 Volym vid transport Styrka 15 Ledat 36 7 Antal komponenter Volym vid transport 6 En komponent- flera funktioner Analysen genererade inga nya koncept utan tangerade de ideer gruppen redan bearbetat. Dock framkom iden att använda en och samma komponent till flera funktioner. Detta skär ned på antalet komponenter och kommer tas i tanke under realiseringen av koncepten. Analysen gav dock en bekräftelse att möjligheter inte har kringgåtts och att gruppen därför kan gå vidare med vidareutveckling av framtagna koncept.
3.1.4 Pugh’s matris
Pugh’s matris användes för att välja det lämpligaste konceptet att gå vidare med ur kategorin ”koncept med stödstruktur”. Projektgruppen hade tagit fram fem olika koncept i kategorin med stödstruktur och för att gå vidare med ett koncept jämfördes de i Pugh’s matris. Matrisen är ett verktyg som inte bara ger ett vinnande koncept utan också kan visa och ge möjlighet att
kombinera de positiva egenskaperna från de olika koncepten.
Genomförandet av Pugh’s matris börjar med identifieringen av kriterierna. Dessa kriterier är egenskaper som är viktiga för kunden och spelar en avgörande roll för vilket koncept som ska vidareutvecklas. Kriterierna var fäljande: vikt, volym, användarvänlighet, livslängd, tillverkning och service. Alla dessa kriterier påverkar utfallet av analysen men vissa kriterier är viktigare och har en större påverkan. Kriterierna har därför viktats från ett till fem där ett är lägst och fem är tyngst.
I en PUGH-matris jämförs de olika koncepten med en referens som väljs ut. Koncept fyra har här slumpmässigt valts ut som referens
Analysen visar att femte konceptet är det bästa konceptet med avseende på kriterierna. Därför blir femte konceptet det som gruppen ska vidareutveckla.
4 Realisering
Detta kapitel behandlar hur koncepten utvecklats funktionellt samt hur de utvecklats för att klara förhållandena de ska användas i. Gruppen har haft ett stort fokus på att ta fram en smart
konstruktion med få delar och integrerade funktioner då få komponenter kan skära ned på kostnader både vid tillverkning och vid montering.
4.1 Konceptutveckling
Nedan visas hur delarna i koncepten förhåller sig till varandra och hur koncepten ska fungera exakt. I det här kapitlet nämns även bakgrunden till dinéerna för konceptet och detaljerna
PUGH’s Matris Koncept Kriterier V ik t R efer en s Ko nce pt 1 Ko nce pt 2 Ko nce pt 3 Ko nce pt 4 Ko nc ep t 5 Vikt 5 Ko nce pt 4 + + - R efer en s + Volym 5 - - - - Användarvänlig 5 + + + + Livslängd 5 - - 0 + Tidseffektivitet 4 + + + + Stabilitet 5 0 0 + 0 Underhåll 2 0 - 0 + Summa + 14 14 14 21 Summa - 10 12 10 5 TOTALS 4 2 4 16 Bedömningsskala Bättre + Samma 0 Sämre -
4.1.1 Koncept med stödstruktur
Konceptet som gick vidare ur kategorin ”koncept med stödstruktur” bestod av ribbor som ska vara ledade längst ned för att kunna fälla ihop reflektorn. Ribborna är sedan kopplade med en skiva som sammankopplar LNB och reflektorn. Genom skivan går en axel med LNB på och som med skruvar fästs på skivan. Det som ska tillåta rotation hos ribban har integrerats i skivans geometri. Åtta axlar går runt skivan och i dem fästs ribborna och kring dem sker rotationen.
Ribban har en krok integrerad i geometrin för att hakas fast runt axeln. Inspiration till funktionen är en enkel verktygslåda med lock som ledats genom interaktion mellan deras geometrier.
För att haka fast ribban har inspiration tagits från verktygslådan igen som har en hake på locket som trycks fast på lådan genom snäppfuntion se figur. Sådana hakar är oftast en helt egen
komponent men för att skära ned på komponenter har haken integrerats med ribban enligt figur. Haken hakas sedan fast under plattan då reflektorn är i öppet läge. enligt figur. När reflektorn ska fällas ihop dras haken loss och ribban fälls sedan upp.
Vanligtvis är det plaster som används till snäppfunktioner och gruppen har sökt efter plaster som uppfyller kraven. Eftersom stort fokus i projektet var att minska vikten med hälften behöver materialet vara lätt men också stark nog för att klara av vindkraften, formstabilt för att ge reflektorn den paraboliska formen och tåla de extrema temperaturerna som är ställda som krav och dessutom tillräckligt mjuk för att inte knäckas vid snäppet.
Det behövdes material som uppfyller alla dessa kriterier och svaret hittades bland termoplaster. Gruppen hittade polyeten som fungerar i det önskade temperaturintervallet, är lätt samt har en shore hårdhet på D58 som är lämpligt för snäppfunktion. Källa. Plasten skulle både vara flexibelt nog för att tillämpa en snäppfunktion och vara robust för samtidigt, därför fattades beslut att använda High Density Polyethylene. (Se tabell … för teknisk data)
Reflektorn vid ett uppfällt tillstånd kan tappa sin konkava form. För att reflektorn inte ska bli en polygon placeras en remsa av gummi runt hela reflektorn. (-55)
Den befintliga produkten var en solid reflektor och var delad i åtta delar där var och en var 3 mm tjock. Volym enligt CAD-programmet var ca 16.7 𝑑𝑚3 till skillnad från Konceptet som har tagits fram av gruppen, vilket var 12 𝑑𝑚3. Detta är en minskning med 28 %.
Då ribborna är i uppfällt läge behöver någonting hålla ihop alla ribbor så att de inte faller tillbaka. Likt ett klassiskt paraply sätts kardborreband på baksidan av reflektorn som dras 360° runt hela reflektorn och spänns fast.
Densitet Temperatur E-Modul Hårdhet
0,935 – 0,960 g/cm3
4.1.2 Koncept utan stödstruktur
Konceptet som gick vidare ur kategorin ”koncept utan stödstruktur” var ett koncept som består av CRFS som kan medge form utan externt stöd. Utöver materialet dras ett snöre runt hela reflektorn i syfte att användas för att dra ihop reflektorn. Snöret dras genom en ficka som sitter på baksidan av reflektorn. Se bild På snöret finns sedan ett snörslås som hakar fast snöret då reflektorn är i stängt läge. Detta så att reflektorn inte fjädrar tillbaka till sitt öppna läge då snöret släpps. För att öppna reflektorn släpps på haken och reflektorn fjädrar tillbaka till sitt öppna läge. Precis som reflektorn med en stödstruktur, storleken för detta koncept är samma vid transport ca
4.2 FMEA
Koncept Komponent Funktion Felmöjlighet Feleffekt S E V E R I T Y Felorsak O C C U R E N C E Kontroll D E T E C T I O N R P N Åtgärd Koncept 9 Haken på ribban Hakar fast ribban i öppet läge Haken knäcks Disken erhåller inte sin operativ-a form 10 För stor kraft 5 Ingen 1 50 Dimens ionera så att den klarar kraften Ribban Ger forrm åt disken Ribban knäcks Disken erhåller inte den parabolis ka formen 10 För stor kraft verka-r på ribba-n 5 Ingen 1 50 Dimens ionera så att den klarar kraften
DFMEA görs för att hindra fel vid användning innan produkten släpps till kund och för att identifiera eventuella förbättringar. Av analysen framgår att det finns två delar som riskerar att knäckas. RPN ligger högt vilket är ett tecken för att åtgärder behöver vidtas. Oavsett RPN är alla tre delar kritiska för användningen av produkten och därför är åtgärder särskilt viktiga för dessa tre. Vid analysen framkommer att rekommenderad åtgärd är att dimensionera så att delarna klarar lastfallen. Detta är något som först behöver undersökas i en FEM-anlays.
4.3 FEM-analys
För att säkerställa att disken når kravet på 20 m/s och för att följa upp FMEA:n görs en FEM-analys på disken. Kraften som genereras av vindhastigheten 20 m/s är 269 N.
på ribban. Krafter och frihetsgrader sätts ut enligt bild, orangea pilar är kraften och de blå markeringarna simulerar fästen. Bild
Analysen visar att maximala spänningen som verkar i kroppen är 13,46 MPa. Polyeten har en E-modul på 80 MPa, det betyder att högsta spänningen i modellen är 16,83 % av E-E-modulen och att stödstrukturen klarar av kraften med en säkerhetsfaktor på 6.
5 Resultat
I detta kapitel demonstreras de färdiga koncepten.
5.1 Reflektor med stödstruktur
6 Slutsatser
6.1 Diskussion och slutsats
Ett utav målen med detta arbete var att halvera vikten av reflektorn för M-modellen av
satellitantennen på företaget ”Datapath”. Gruppen tog fram två koncept med två olika material som båda kunde uppfylla målet. I konceptet med stödstruktur blev nya vikten 1 kg, alltså har vikten sänkts med 75%. Andra konceptet med CFRS vägde 1.1 kg, en sänkning med 72.5%. Med det i resultat kan slutsatsen dras att vi nått målet med båda konceptet. Det andra målet var att transportvolymen skulle minskas med 20%. Volymen i båda koncepten minskades från 16.7 dm3 till 12 dm3. Det betyder att vi sänkt volymen under transport med 29% och med det dras slutsatsen att vi nått målet. Samtidigt har kraven uppnåtts där koncepten består av material som fungerar i det satta
temperaturintervallet, är fuktbeständiga och klarar av en vind i 20 m/s.
Gruppen hade fått en rekommendation från företaget om att utveckla en paraplyantenn då en sådan tar liten volym i hopfälld form och dessutom kan vara relativt lätta. Gruppen tog hänsyn till
rekommendationen och hade med det som ett förslag ihop med andra. Då förslaget med
paraplyantennen skulle skissas utgick gruppen från ett klassiskt paraply. Gruppen insåg då att det inte skulle vara kompatibelt med resten av antennens komponenter och att paraplyet därför behövde anpassas. Fler förslag togs fram som var mer anpassade för antennen som finns idag. Till slut visade sig att ett utav koncepten som var paraplylika var bäst, dock de som var mer anpassade för ändamålet. Därför hamnade gruppen på paraplyspåret och därav resultatet.
Under planeringsfasen hade vi tänkt att vi under projektets gång skulle tillämpa DFMA, ”design for manufacturing and assembly”. Detta för att ta fram en smart produkt med få komponenter,
integrerade funktioner och förenkla vid montering osv. Under utvecklingsfasen visade det sig att verktyget inte behövdes då vi hela tiden arbetade efter liknande principer. Det syns även i resultatet där det är ett mycket fåtal komponenter i koncepten, integrerade funktioner och att det dessutom under montering inte går att göra fel.
Det var även tänkt att vi skulle använda PUGH’s matris för att välja ut material, dock var de två vinnarna så överlägsna de andra samtidigt som de nådde kraven att en GO-NO-GO-analys skulle räcka.
Konceptet gruppen hade kommit fram till är gjord fullständigt av polyeten. Gruppen fann att polyeten uppfyllde kraven på ett mycket tillfredställande sätt samtidigt som det har en låg densitet samt är lämpligt för snäppen. Polyeten visade sig vara stabil och formbeständig vid extremt låga och höga temperaturer för en plast. Gruppen kunde inte hitta ett annat material som nådde kravet och beslutade därför om att konstruera hela konceptet i polyeten.
6.1.1 Rekommendationer inför framtida arbeten
Konceptet med stödstruktur är baserat på ett paraply och paraplyer kan vara kantiga mellan ribborna. Vi har löst det genom en gummiremsa ytterst på duken, dock kan det behövas fler mellan ribborna då det inte riktigt är en slät yta längs hela duken. Därför skulle en undersökning om hur slät ytan är vara bra och om någonting behöver göras för eventuella förbättringar.
1http://peterkristiansson.se/parabol.html (29,03,2017) 2http://peterkristiansson.se/lnb.html (29,03,2017) 3http://test.physics.uu.se/sv/forum/metaller-och-radiov-gor (05,04,2017) 4http://www.hps-gmbh.com/en/portfolio/subsystems/deployable-structures/ 6/4 5http://www.northropgrumman.com/BusinessVentures/AstroAerospace/Documents/pageDoc s/tech_papers/tech_papers_big_sky.pdf 5/4 6https://register.epo.org/ipfwretrieve?apn=GE.2013000008.W&lng=se 6/4 7https://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/6.2010-2504 6/4 8https://artes.esa.int/news/ultra-portable-satcoms-antenna-urda 7/4 9https://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/6.2015-0945 7/4. 10file:///C:/Users/carloaj/Downloads/14G02_Langer_Deployable.pdf 7/4 11https://se.espacenet.com/publicationDetails/biblio?DB=EPODOC&II=1&ND=3&adjacent =true&FT=D&date=20160330&CC=CN&NR=205115739U&KC=U 7/4. 12http://www.osaka-ue.ac.jp/zemi/nishiyama/math2010/miura.pdf 7/4
13http://www.space.com/27098-origami-style-unfolding-space-solar-panels-unraveled-video.html 25/3 14http://moa.byu.edu/folding-paper-the-infinite-possibilities-of-origami/ 25/3 15https://faradaydefense.com/ (28,03,2017) 16https://www.lessemf.com/ (29,03,2017) 17http://www.slt.co/Products/RFShieldingFabrics/SwissShieldNaturellUltra.aspx (01,04,2017) 18http://www.aaronia.com/products/shielding-screening/Aaronia-RF-Shielding-X-Steel-80dB/ (28,03,2017)
